[論文レビュー] Final results of the search for $ν_μ o ν_{e}$ oscillations with the OPERA detector in the CNGS beam

OPERA Collaboration, N. Yu. Agafonova+131 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2018

Neutrino Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、CNGSビームデータセット全体を用いた $ν_\mu \to \nu_e$ 遷移に関する最終的な OPERA 実験結果を提示する。高解像度の乳品雲室を用いることで、電子ニュートリノエネルギー再構築の精度が向上し、$\Delta m^2_{41} \gtrsim 0.1~\mathrm{eV}^2$ の領域において、90%信頼水準（C.L.）での上界 $\sin^2 2\theta_{\mu e} = 0.021$ を設定した。これは、LSND や MiniBooNE が示唆するパラメータ領域の大部分を除外するものであり、最大混合の状況において $\Delta m^2_{41} \gtrsim 4 \times 10^{-3}~\mathrm{eV}^2$ を除外できる唯一の出現実験である。

ABSTRACT

The OPERA experiment has discovered the tau neutrino appearance in the CNGS muon neutrino beam, in agreement with the 3 neutrino flavour oscillation hypothesis. The OPERA neutrino interaction target, made of Emulsion Cloud Chamber, was particularly efficient in the reconstruction of electromagnetic showers. Moreover, thanks to the very high granularity of the emulsion films, showers induced by electrons can be distinguished from those induced by $π^0$s, thus allowing the detection of charged current interactions of electron neutrinos. In this paper the results of the search for electron neutrino events using the full dataset are reported. An improved method for the electron neutrino energy estimation is exploited. Data are compatible with the 3 neutrino flavour mixing model expectations and are used to set limits on the oscillation parameters of the 3+1 neutrino mixing model, in which an additional mass eigenstate $m_{4}$ is introduced. At high $Δm^{2}_{41}$ $( \gtrsim 0.1~ extrm{eV}^{2})$, an upper limit on $\sin^2 2θ_{μe}$ is set to 0.021 at 90% C.L. and $Δm^2_{41} \gtrsim 4 imes 10^{-3}~ extrm{eV}^{2}$ is excluded for maximal mixing in appearance mode.

研究の動機と目的

• CNGSミューオンニュートリノビームにおける $\nu_e$ の出現を、完全な OPERA データセットを用いて探索すること。
• 追加のステアーブニュートリノ状態 $m_4$ を含む 3+1 ニュートリノ混合モデルをテストすること。
• 高解像度の乳品フィルムを用いて、電子ニュートリノエネルギー推定の精度を向上させること。
• ステアーブニュートリノ探索の文脈において、$\sin^2 2\theta_{\mu e}$ および $\Delta m^2_{41}$ に対する厳密な制限を設定すること。
• さまざまな遷移仮説を検証するためのモデルに依存しない結果を提供すること。

提案手法

• 電子ニュートリノの強い電磁遮へんの再構築に、サブミクロン級の高解像度を持つ乳品雲室を用いる。
• 遮へんのトポロジーと軌跡再構築に基づいた、改良された電子ニュートリノエネルギー推定法を適用する。
• 物質効果および地球のマントル密度（PREMモデル）を組み込んだプロファイル尤度推定法を用い、遷移経路の影響を考慮する。
• 系統的不確実性を低減するため、既知の遷移パラメータ（$\Delta m^2_{31}$）に対するペナルティ項を導入する。
• 他のすべての遷移パラメータについて、ネイキーブンスパラメータをプロファイル化し、解析を正の $\Delta m^2_{41}$ 値に制限する。
• データ、バックグラウンド、$\Delta m^2_{31}$ に関する事前知識を含む尤度関数を用いた統計的解析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $\Delta m^2_{41} \gtrsim 0.1~\mathrm{eV}^2$ の領域における 3+1 ニュートリノモデルにおける $\sin^2 2\theta_{\mu e}$ の上界は何か？
• RQ2 最大混合の状況において、OPERA 実験は $\Delta m^2_{41}$ 値を $4 \times 10^{-3}~\mathrm{eV}^2$ まで除外できるか？
• RQ3 向上したエネルギー分解能は、$\nu_e$ の出現に対する感度にどのように影響するか？
• RQ4 LSND や MiniBooNE 実験が示唆するパラメータ領域は、どの程度除外されるか？
• RQ5 観測データは 3 フレーバーのニュートリノ混合モデルと整合性があるか？

主な発見

• データは 3 フレーバーのニュートリノ混合モデルと整合的であり、90% C.L. で $\sin^2 2\theta_{13} < 0.43$ の上界が設定された。
• $\Delta m^2_{41} \gtrsim 0.1~\mathrm{eV}^2$ の領域において、90% C.L. で $\sin^2 2\theta_{\mu e} = 0.021$ の上界が確立された。
• OPERA は最大混合状態において $\Delta m^2_{41} \gtrsim 4 \times 10^{-3}~\mathrm{eV}^2$ を除外でき、これは唯一の出現実験によるものである。
• 結果は、$\Delta m^2_{41}$–$\sin^2 2\theta_{\mu e}$ 平面上で LSND や MiniBooNE 実験が示唆するパラメータ領域の大部分を除外する。
• 全データセットが標準的な 3 ニュートリノ振動仮説と整合的であることが確認され、ステアーブニュートリノの寄与の証拠は見つからなかった。
• 高解像度の乳品フィルムによる向上したエネルギー分解能は、$\nu_e$ イベントの感度を高め、バックグラウンドの誤識別を低減した。